В 1960 г. появился необычайный источник света — квантовый световой генератор. Он
может испускать лучи в миллиарды раз ярче солнечных. Назван он лазером. Это слово составлено из первых букв английского названия генератора: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский означает — усиление света с помощью вынужденного излучения.Длина волны света, генерируемого в лазерах различного типа, лежит между 0,25 мк и несколькими микронами.
Сначала были созданы лазеры, в которых основной деталью — излучающим телом — был искусственный рубин, размерами и формой напоминающий обычный карандаш. Рубин — это прозрачный, розоватый кристалл Аl2O3 с примесью Cr2O3. Чтобы понять, почему рубин может быть излучающим телом, надо разобраться в энергетических уровнях его атомов.
Задолго до того, как было установлено, что свет — это электромагнитные колебания, ученые знали, что свет обладает волновыми свойствами. Но что именно колеблется в световой волне, стало ясным только после того, как появилась теория Максвелла. Однако физикам удалось создать, по аналогии с волнами механическими и звуковыми, стройную теорию, которая позволила не только изучать волновые свойства света, но и измерить длину световой волны.
Волновое движение характеризуется длиной волны или частотой колебаний. Сложение волн называется интерференцией.
Осветим лампой накаливания экран YX через две очень узкие параллельные щели, которые расположены друг от друга на расстоянии 0,05 мм. На экране свет распределится равномерно. Освещенность экрана будет просто суммой освещенностей, даваемых каждой щелью в отдельности.
Если же через эти щели будет идти свет лазера, то на экране появятся светлые и темные полосы. Получится так называемая интерференционная картина — результат сложения гармонических колебаний. Освещенность в любой точке экрана уже не будет суммой освещенностей.
Объясняя, как излучают нагретые твердые предметы, Планку пришлось ввести в науку понятие о квантах света — фотонах.
Чтобы понять, как действуют фотоны на вещество, поставим опыт. В вакууме помещены две металлические пластины. Соединим их извне проводом с включенным в него гальванометром. На одну из пластин направим свет. В гальванометре появится ток. Его создадут электроны за счет энергии, полученной ими от фотонов. Если в цепь включить батарею Б так, чтобы освещенная пластина была положительным электродом, промежуток между электродами станет проводящим. Фотоны выбивают из положительно заряженной и освещенной пластины отрицательные заряды. С увеличением напряжения между пластинами ток начнет падать и при некотором напряжении станет равным нулю. Это происходит потому, что не у всех отрицательных зарядов, выбитых фотонами из пластины, достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение положительного электрода.
Когда напряжение на положительном электроде достигнет такой величины, что даже самый «быстрый» электрон, выбитый из него фотоном, не дойдет до отрицательного электрода, ток в цепи гальванометра прекратится.
Одна из самых крупных звезд в созвездии Ориона — Бетельгейзе. Ее диаметр —390 млн. км, т. е. больше, чем диаметр орбиты, по которой Земля движется вокруг Солнца. Солнце по сравнению с этой звездой — карлик: его диаметр в 278 раз меньше, чем диаметр Бетельгейзе. Но долгое время астрономы знали только, что Бетельгейзе — звезда первой величины. Измерить ее они не могли, так как никакие телескопы не позволяли определить угол, под которым видна эта звезда с Земли. (Угол этот называется угловым диаметром звезды.)
Измерить диаметр Бетельгейзе удалось только в 1920 г. Американские ученые физик А. Майкельсон и астроном Ф. Пиз применили для этого интерферометр — прибор, принцип действия которого основан на законах интерференции световых волн.
Чтобы понять действие интерферометра, проследим, как распространяется параллельный пучок света, пройдя через узкую щель. Разобьем щель на ряд параллельных полосок равной площади. Фазы волн, проходящих через эти полоски, одинаковы, так как лучи параллельного пучка доходят до щели одновременно. Амплитуды волн также одинаковы, потому что площади полосок равны. Линза, установленная за щелью, сводит параллельные лучи в фокальной плоскости ММ в одну точку. В этой плоскости установлен экран.Все лучи в точку В0 приходят в одной фазе, когда =0. Если угол не равен нулю, то волны от разных участков щели придут в точку B с разными фазами и могут ослабить друг друга. Так, если угол удовлетворяет условию b•sin=, то в точке B свет будет ослаблен.
Каковы бы ни были оптические устройства, все они рассчитаны на глаз человека. Это тоже оптический прибор. Его оптическую систему можно сравнить с оптической системой фотоаппарата. С помощью простейшего объектива (двояковыпуклой одиночной линзы) предмет, светящийся или отражающий лучи других источников света, может быть изображен в любой плоскости.
Объектив фотоаппарата передает изображение на фотопластинку, а оптика глаза — на глазную сетчатку, своего рода светочувствительный слой, передающий изображение в мозг. Объектив фотоаппарата, как правило, подвижен, так как изображения предметов, находящихся на разном расстоянии от аппарата, можно передать на фотопластинку, только перемещая объектив вдоль его оптической оси. Глазная линза — хрусталик — изменяет с помощью особых мышц кривизну своей поверхности. Это дает возможность хрусталику, оставаясь неподвижным относительно сетчатки, изображать на ней по-разному удаленные от глаза предметы.
Изображения предметов можно получить не только с помощью световых лучей, но и применив пучки заряженных частиц, например электронов. Для этого и служит электронный микроскоп.Допустим, нам нужно изучить вирусы, невидимые в самые лучшие оптические микроскопы. Каплю воды с вирусами наносят на очень тонкую коллодиевую пленку толщиной всего в 0,01 мк. Пленка высушивается и закладывается на так называемый предметный столик электронного микроскопа. На нее направляют параллельный пучок электронов. Тело вируса неоднородно, и разные его части рассеивают электроны по-разному. Чем сильнее рассеиваются электроны, проходящие через какую-либо часть вируса, тем меньшая доля их проходит через отверстие DD— апертурную диафрагму микроскопа. Электронная линза L собирает в точке В электроны, вышедшие из точки А расходящимся пучком, и так точку за точкой дает электронное изображение предмета на светящемся под действием электронов экране S. Наименьшая плотность электронов, падающих на экран, будет в тех местах изображения, которые соответствуют наиболее плотным, а значит, и рассеивающим электроны частям вируса. Эти места на экране будут темными. Менее плотные и менее рассеивающие части вируса изобразятся как светлые участки.